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M5E2 – Informatique 2
E2: Informatique 2
Département de physique
Informatique 2
� Objectifs� Expliquer les principes de fonctionnement d'un
ordinateur;
� Expliquer comment l'information est représentée, stockée;
� Expliquer le rôle d'un système d'exploitation;
� Apprendre à structurer et à organiser l’information.
� Revoir la logique booléenne
� Initiation à l’algorithmique
� Quelques logiciels utiles
� …
Informatique ?
Informatique ?
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Informatique ?
Informatique ?
Science Informatique
� Science qui regroupe l’ensemble des théories et des techniques permettant de traiter de l’information à l ’aide d’un ordinateur
� Sciences et Technologies de l’Information et de la Communication
Science Informatique
� Information� Elément de connaissance représenté à l’aide de
conventions en vue d’être conservé, traité et communiqué
� Différentes formes : son, image, texte, vidéo ...
� Traitement� Passer d’informations appelées données à
d’autres informations dites résultats
� Exemples : addition, traduction...
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L’ordinateur
� Machine (calculateur) commandée par un programme enregistré qui permet de traiter des informations en exécutant une séquence finie d’instructions (opérations arithmétique et logique)
� Universel (qui peut s'appliquer à toutes et tous, qui peut être reconnu par le monde entier comme utilisable)
� Rapide (Millions d’Instructions par seconde)
� Fiable (accomplir une fonction requise dans des conditions données pour une période de temps donnée)
� Grande Capacité mémoire
Historique
� Boulier chinois, 700
Historique
� la Règle à Calcul, 1622
Historique
� Machine de Pascal, 1642
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Historique
� la calculatrice de Leibniz, 1672,4 opérations et extrait les racines carrées
Historique
� Mémoire mécanique de Babbage, 1883
Historique
� Machine à carte de Hollerith, 1890
Historique
� Machine à carte de Hollerith, 1890
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Historique
� Carte perforée, 1890
Historique
� Machines électroniques IBM, 1940
Historique
� Von Neumann, 1946
Historique
� Génération 1 (1945 - 1960)
� langage binaire
� Entrée : Carte perforée, Sortie : Imprimante
� 1000 opérations élémentaires/s
� Génération 2 (1960-1965)
� Langage évolué
� transistors, diodes, mémoires à tores
� 100000 opérations élémentaires/s
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Historique
� Génération 3 (1965-1975)
� Circuit intégré, la puce
� 109 à 1012 opérations élémentaires/s
� Génération 4 (1975- ? )
� microprocesseurs, dizaines de circuits sur une puce
� Développement des ordinateurs personnels, …
Familles d ’ordinateur
� Ordinateurs centraux (MainFrame)
� Ordinateurs Personnels (PersonalComputer)� Ordinateur de Bureau (Desktop computer)
� Ordinateur Portable (Laptop, Notebook)
� Ordinateurs de poche/ assistants personnels (Personal Digital Assistant)
� Systèmes temps réel (Industrie)
Domaines de l’informatique
Ordinateur de Von Neumann
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Ordinateur de Von Neumann
Ordinateur de type PC
Ordinateur de type PC
La mémoire
� Dispositif capable d’enregistrer, de stocker et de restituer des informations� Ensemble fini de cellules
� Chaque case a un numéro : adresse
� Unités de mesure: bit, octet (Byte), mot
� Chaque case correspond à un mot
� Trois types� mémoire morte ROM: lecture seule, Quelques Ko
� mémoire vive RAM: lecture et écriture, Mo – Go
� mémoire de masse ou auxiliaire
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La mémoire auxiliaire
� Stockage et restitution d’information
� disque dur� lecture et écriture� taille : centaines de Go� débit de transfert : 100 Mo/s� logiciels + données
La mémoire auxiliaire
Disque Dur de 5 MB, 1956
La mémoire auxiliaire
� disquettes� lecture et écriture� taille : 1,44 Mo� débit de transfert : 150 ko/s� sauvegarde données (transport)
La mémoire auxiliaire
� clés USB� lecture et écriture� taille : centaines de Mo� débit de transfert : 1 Mo/s� sauvegarde données (transport)
1. Connecteur USB mâle (type A).2. Contrôleur pour l’USB 2.03. JP1 et JP2 pour tests et débogage.4. Mémoire flash5. Oscillateur à quartz 12 MHz.6. DEL pour indiquer l’activité de la
clé.7. Interrupteur (protéger la clé en
écriture).8. Zone prévue pour étendre la capacité
sans avoir à créer un autre schéma.
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La mémoire auxiliaire
� CDROM, DVDROM� lecture� taille : 700 Mo (CD), 5 Go (DVD)� débit de transfert: 150 ko/s x Coefficient� logiciel, archives, multimédia
L’unité de traitementLe microprocesseur
L’unité de traitement
� Le microprocesseur� Unité Arithmétique et logique (calcul)� Unité de contrôle
� Coordinateur� UAL� Mémoire� périphériques
� Les registres: mémoirestrès rapides
� La mémoire cache
L’unité de traitementMCMCMicroprocesseurMicroprocesseur
HorlogeHorloge
UnitUnitéé de Contrôlede Contrôle
UALUAL
E/SE/S
11
22
33
44
4444
44
44
55
10
L’unité de traitement
� fonctionnement de l’unité de contrôle
� Chercher en mémoire centrale l’instruction àexécuter et la stocker dans un registre
� décoder l’instruction
� Charger dans des registres les données nécessaires
� commander l’exécution par l’UAL
� récupérer le résultat dans un registre
� stocker le résultat en mémoire centrale
� recommencer pour l’instruction suivante au top horloge suivant
Les programmes et leurslangages� Langage machine
� langage binaire
� Programme Exécutable
� Langage d’assemblage
� Mnémoniques
� Programme Objet
10110010 00101011 11011001
10110010 ADD 11011001
Traduction Assembleur
Les programmes et leurslangages� Langage d’assemblage
� Mnémoniques
� Programme Objet
� Langage évolué
� Notation commune
� Programme source
� exemples : C, JAVA, PASCAL...
10110010 ADD 11011001
InterpréteurCompilateurTraduction
178 + 217
Les programmes et leurslangages
� Le langage machine et le langage d’assemblage dépendent du processeur (la puce)
� Les langages évolués sont indépendants des machines
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Notation binaire
L'ordinateur manipule exclusivement des informations binaires:
� Ce sont des informations qui n'ont que deux états:
ouvert – fermé vrai – faux, etc.
� On symbolise une information binaire par 1 et 0
� Le 1 et le 0 sont des signes pour désigner une information, indépendamment de son support physique.
Avec une telle information binaire, on ne va pas loin:
� Utiliser les informations binaires par paquet de 8 ou octets.
Notation binaire
� Un octet peut servir à coder 256 entités différentes:� nombres entiers de 1 à 256� nombres entiers de 0 à 255� nombres entiers de –127 à +128� autre chose qu'un nombre: souvent employé pour du
texte� …
C'est une affaire de codification …� Pour des nombres plus grands que 256, des
nombres négatifs ou décimaux on utilise plus d'un octet:� 2 octets � 256 x 256 = 65 536 possibilités� 3 octets � 256 x 256 x 256 = 16 777 216 possibilités� …
Notation binaire
Définitions
� 8 bits = octet 28 =256
� 16 bits = demi-mot 216 =65 536
� 32 bits = mot 232 =4 294 967 296
Notons que: 210 = 1024 ≈ 103
� 1 Ko = 1 024 octets
� 1 Mo = 1 024 * 1 024 = 1 048 576 octets
� 1 Go = 1 024 * 1 024 * 1 024 =1 073 741 824 octets
Multiples of bytes
280yobibyte (YiB) 2801024Yottabyte (YB)
270zebibyte (ZiB) 270 1021zettabyte (ZB)
260exbibyte (EiB) 2601018exabyte (EB)
250pebibyte (PiB) 2501015petabyte (PB)
240tebibyte (TiB) 240 1012terabyte (TB)
230gibibyte (GiB) 230109gigabyte (GB)
220mebibyte (MiB) 220106megabyte (MB)
210kibibyte (KiB) 210103kilobyte (kB)
ValueName(Symbol)
Binaryusage
Standard SI
Name(Symbol)
IEC binary prefixesSI decimal prefixes
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Système de numérotation
Qui se rappelle des règles du système de numérotation par position en base 10?
� on retrouve facilement que: 9562 c'est:
9 x 1000 + 5 x 100 + 6 x 10 + 2 x 1
(9x 10 x 10 x 10) + (5 x 10 x 10) + (6 x 10) + (2 x 1)ou 9 x 103 + 5 x 102 + 6 x 101 + 2 x 100
� Deux conséquences:� Nous nous servons de dix chiffres, pas un de plus, pas un
de moins.
� La position du chiffre dans un nombre désigne la puissance de dix par laquelle ce chiffre doit être multipliépour reconstituer le nombre.
Système de numérotation
Appliquons ce principe au binaire:
� Pour reconstituer le nombre dans la base décimale:Prenons un octet : 1 1 0 1 0 0 1 1� Ce nombre représente en base dix:1 x 27 + 1 x 26 + 0 x 25 + 1 x 24 + 0 x 23 + 0 x 22 + 1 x 21 + 1 x 20
1 x 128 + 1 x 64 + 1 x 16 + 1 x 2 + 1 x 1128 + 64 + 16 + 2 + 1
211
� Inversement pour un nombre en décimal 186:1 x 128 + 0 x 64 + 1 x 32 + 1 x 16 + 1 x 8 + 0 x 4 + 1 x 2 + 0 x 11 x 27 + 0 x 26 + 1 x 25 + 1 x 24 + 1 x 23 + 0 x 22 + 1 x 21 + 0 x 20
1 0 1 1 1 0 1 0
Notation hexadécimal
Représenter un octet par une suite de huit bits n'est pas très pratique!
�������� On considère un octet comme deux paquets de 4 bits (les quatre de gauche, et les quatre de droite):
� Avec 4 bits nous pouvons coder 24=16 nombres différents
�������� Choisir de calculer à base seize16 nombres différents se représentent avec un
seul chiffre:
0, 1, 2, …, 9, A, B, C, D, E, F
Notation hexadécimal
Prenons un octet au hasard :1 0 0 1 1 1 1 0
� Première méthode:
on passe en décimal : 158
puis en hexadécimal : 9E
� Deuxième méthode:
Divisons 1 0 0 1 1 1 1 0 en :
1 0 0 1 (gauche) � c'est 8 + 1, donc 9
1 1 1 0 (droite) � c'est 8 + 4 + 2 donc 14=E
Le nombre s'écrit donc en hexadécimal : 9E
Représentation très simple des octets binaire
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Exercice Numérotation
255
101010101010
ABBA
74
74
74
74
1
11
11
11
11
HEXADECIMALDECIMALOCTALBINAIRE
Codage des valeurs numériques
� Les entiers naturels peuvent être directement stockés en binaire.
� Les autres types de valeurs nécessitent un codage
Codage des valeurs numériques
Codage des entiers négatifs (entiers signés)
� Ce codage doit répondre à trois critères:
� Les nombres négatifs doivent pouvoir être distingués des positifs.
� La somme d'un nombre et de son opposé est nulle.
� L'opposé de l'opposé d'un nombre est égal à ce nombre
Codage en complément à deux.
� Les nombres positifs sont représentés en binaire simple
� Les nombres négatifs sont obtenus de la manière suivante:� On inverse les bits de l'écriture binaire de sa
valeur absolue (complément à un) puis,� On ajoute 1 au résultat (les dépassements sont
ignorés).� Exemple:
l'opposé de 00011110est égal à 11100001+1 = 11100010.
� Avec ce système, tous les nombres négatifs commencent par un 1 (digit de gauche)
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Codage des valeurs numériques
� Pour vérifier que la somme d'un nombre et de son opposé est nulle, il faut d'abord savoir faire une addition!
� L'addition se pose exactement comme en base 10, avec des retenues (1+1=10, je pose 0 et je retiens 1...).
� Il y a évidemment une astuce: le résultat de l'addition s'écrit lui aussi sur un octet, la dernière retenue n'apparaîtra donc pas dans ce résultat !
Addition binaire
L'addition en binaire se fait avec les mêmes règles qu'en décimale :
� On commence à additionner les bits de poids faible puis on a des retenues lorsque la somme de deux bits de même poids dépasse la valeur de l'unité la plus grande, cette retenue est reportée sur le bit de poids plus fort suivant...
exemple :
0 1 1 0 1 13
+ 0 1 1 1 0 + 14
---------------- -------
1 1 0 1 1 27
Calcul binaire (exercices)
1. Vérifiez que la somme de deux opposés est nulle en additionnant 00011110 et 11100010, ou 10001100 et 01110100
2. L'opposé de l'opposé d'un nombre est égal à ce nombre: en utilisant la méthode décrite, prenez l'opposé de 11100010, puis celui de 01110100, et vérifiez que le premier est 00011110 et le second 10001100.
3. Vérifiez que la somme de 11100010 (-30) et 01110100 (116) se lit bien 86, et que celle de 10001100 et 00011110 se lit bien -86.
Calcul binaire (exercices)
4. Quel est le plus grand nombre positif que l'on peut écrire dans un octet, avec ce codage?
5. Comment s'écrit son opposé?
6. Prendre l'opposé de 10000000. Que constate-t-on?
7. Ajouter 10000000 et 01111111. Que vaut le résultat ? Quelle valeur faut-il attribuer à10000000, avec ce codage?
8. Combien de valeurs numériques peut-on écrire dans un octet, avec ce codage? Comparer au binaire ordinaire.
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Multiplication binaire
� La multiplication se fait en formant un produit partiel pour chaque digit du multiplicateur.
� Lorsque le bit du multiplicateur est nul, le produit partiel est nul, lorsqu'il vaut un, le produit partiel est constitué du multiplicande décalé du nombre de positions égal au poids du bit du multiplicateur.
Exemple :0 1 0 1 5 multiplicande
x 0 0 1 0 x 2 multiplicateur--------------- -----
0 0 0 0 1 00 1 0 1
0 0 0 0---------------0 0 1 0 1 0
